融合區塊鏈的能源協同降碳電力交易福利模型

趙璐鈺，李軍祥，王 茹

(上海理工大學 管理學院， 上海 200093)

0 引言

隨著化石能源發電帶來的碳排放問題日益嚴重，減少化石能源消耗勢在必行。為此，我國提出要大力發展可再生能源電力產業，包括光電、風電、水電等[1-2]。但由于發電節點和電力消費中心無法及時進行信息溝通、可再生能源偏好度普遍不高，導致很多可再生能源無法充分消納，電力高消費地區需要另外購買化石能源電力補充，碳排放量居高不下的問題亟待解決。

當前，已有很多研究將區塊鏈技術與新能源消納和降碳結合。這類研究將區塊鏈技術融入能源消納交易體系中，希望與電力交易系統結合后為新能源消納、降碳等帶來積極影響。文獻[3-5]分別提出了改進區塊鏈共享機制的設計、基于區塊鏈的新能源和多能源交易的系統和相應的智能合約。前者未結合分布式新能源交易具體場景建立匹配的量化交易模型。文獻[6-7]雖然從能源交易的實踐出發建立了基于區塊鏈的新能源交易模型，但未將能源交易中的供需關系變化融入模型中。文獻[8]提出了BFT的聯盟區塊鏈中基于博弈理論的定價模型并與傳統電力交易進行比較。雖然以上研究將能源交易中的供需關系和博弈理論中的定價模型融入到基于區塊鏈的新能源電力交易中，但未深入探索其對新能源交易帶來的碳排放量和供需兩側福利帶來的影響。

本文以現有研究為基礎，構造基于區塊鏈的能源協同降碳電力交易福利模型。將電力市場中的供需雙方作為區塊鏈分布式節點，利用區塊鏈技術進行電力供需方數據實時交流共享，便于電力供需策略的實時調整。同時，區塊鏈技術可以實時收集節點的電力交易數據信息，為供用電方做出有效匹配決策。該模型可以用于電力市場供需雙方的優化調度，提高可再生電力資源的消耗占比，減少碳排放，促進可再生能源行業的持續發展。

1 基于區塊鏈的能源協同降碳電力交易系統架構分析

基于區塊鏈的能源協同降碳電力交易系統中，節點之間通過區塊鏈實現電力交易信息的互通。區塊鏈技術對電力交易雙方帶來的影響被量化到用戶效用函數中用于更好地刻畫用戶福利。

基于區塊鏈的分布式P2P(peer-to-peer，點對點)交易可以有效解決可再生能源分布不均勻帶來的能源信息流通困難[9]。區塊鏈的可追溯性、共識算法等屬性可以在保護電力用戶隱私的前提下，實時將電力數據[10]傳輸匯總到上層數據分析中心，用于后續的電力信息特征提取和電力供需信息交流。

本文中建立的模型可在促進可再生能源消納的基礎上降低碳排放量。電力交易雙方能在有授權情況下收集區塊鏈上的電力交易信息，并計算出綜合評估因子，引導供電方在考慮供電成本(包括距離、電價等因素)后，選擇最優的可再生能源電力交易策略，優先可再生能源供給電力，減少碳排放量，增加供電商福利。

本文建立基于區塊鏈的能源協同降碳電力交易系統。系統架構包括能源層、用戶層、數據傳輸層、區塊鏈管理層、數據分析應用層。能源層的電力基礎設備負責電力的統一調度和收集電力交易信息以便實時上傳到區塊鏈。用戶層包含供電聯盟和用電方。供電聯盟為可再生能源供電廠(本文指光伏和風能分布式微網發電廠)和傳統能源供電廠(本文指以煤等化石能源為燃料發電的電廠)，兩者都作為供電節點加入到區塊鏈供電聯盟中組成互補關系為用電方供電。區塊鏈管理層包含設計的電力交易機制，該層幫助電力用戶從交易時間、交易價格、交易能源類型及數量等角度做出最優決策。在區塊鏈上滿足交易條件時交易由智能合約觸發，整個交易過程全自動化、公開透明。數據分析應用層可以利用鏈上的電力交易信息得出能源綜合評估因子并反饋給區塊鏈管理層進行交易決策。

基于區塊鏈的能源協同降碳電力交易系統結構如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈的能源協同降碳電力交易系統結構示意圖

2 基于區塊鏈的能源協同降碳電力交易福利模型建立與分析

2.1 模型描述與假設

電力供需方加入到區塊鏈跨區域電力聯盟中，用電方的用電量約束不再受限于當地供電方，需要增加聯盟內的總電力供應量。又由于電力供需雙方接入區塊鏈節點的比例越高則用電方用電量上限越高，故建立用電量約束條件如下：

(1)

可再生能源電力在生產和使用的過程中會造成環境污染。例如，光伏板的生產、報廢材料處理、風電葉片生產等都會產生一定的碳排放量。傳統能源電力生產過程中也會造成大量的碳排放。而在當前降碳的政策引導下，每個用電方都有降碳指標，即每個時隙內所有電量消納造成的總碳排放量要受到總的碳排放量約束。假設每個時隙內用電方jn選擇供電方im消納xjn,im的碳排放量為tjn,im，所有用電方在用電時隙d內受到的總碳排放量指標約束為Td，即

(2)

2.2 用電方電力交易福利函數構建與分析

在電力需求側，用戶在區塊鏈電力交易系統上消費電力時，所獲得的福利會隨著電力能源類型、電價、時隙等的不同而發生改變。用戶的滿意度也會因為區塊鏈技術的不同應用程度而發生變化。在微觀經濟學中，效用函數通常用來描述用戶消費數量與所獲得滿意度之間的關系。在電力交易市場中，也可以用效用函數來表達用電量和滿意度的關系[11]。因此，用戶jn在時隙d內消費電力的效用函數[12-13]可表示為：

(3)

(4)

綜合評估因子θjn,im由區塊鏈電力交易中用電方jn和供電方im的電力信息綜合評估得到。各自的電力信息評估因子越高，則雙方的綜合評估因子越高。不妨假設

θjn,im=θim+θjn

(5)

其中: 電力交易中用電方的評估因子θjn會隨自身的電力需求特性而改變。供電方的綜合評估因子θim由供電方im的電壓穩定度Lim(這里指上一個用電周期內該供電方電壓波動的方差值)和供電方的電價與傳統能源電價的偏差Eim決定。Lim值越高則表示供電方的電力資源越不可靠，該種電力的評估因子參數值也隨之降低，因此Lim和θim成負相關關系。供電方的電價與傳統能源電價的偏差Eim值越高，說明供電方在供電聯盟中電價不具有優勢，因此也和θim成負相關關系，不妨假設

θim=-Lim-Eim

(6)

另外，假設該時期內供電方im的電價為yim，該時期內的供電方的電價除供需關系外，還受電力供需方區域遠近、電力交易系統中用電方對該供電方的電力偏好值等因素影響。橫跨區域遠的供電方輸電成本高，電價也高。用電方對供電方的電力偏好值高，用電需求預期高，電價也會高。故根據滿意度函數[12]，構造電價關系式為:

(7)

時隙d內用戶jn的總用電成本為：

(8)

因此，應用改進后的用戶效用函數和電力成本函數后，構造出用戶福利函數Wu為：

(9)

2.3 供電方電力交易福利函數構建與分析

在電力供給側，供電方組成的聯盟在電力交易過程中需要付出發電成本、環境成本、儲電成本、決策成本。傳統能源發電成本主要由能源消耗產生，可再生能源微網發電成本主要由發電設備生產及損耗產生。

假設二者的發電成本Co均是發電量的二次函數[13]，表示為

(10)

其中：a>0，b≥0，c≥0且均為常數，m∈{1,2,…,M}。

供電方可再生能源微網發電量大幅增加后，其發電設備在生產和使用的過程中都會造成環境污染。故綜合環境成本Ce為

(11)

式中：ωiM>0表示傳統能源發電的環境污染系數；ωik>0，k=1,2,…,M-1，表示該微網內可再生能源的污染系數。

供電方發電可能產生多余電力無法消納，因此，還需要考慮發電量超過需求時的儲電成本Cs，表示為

(12)

式中，h>0為單位電量儲電成本。

最后，供電方聯盟加入區塊鏈電力交易系統后，將因共享的信息對決策成本造成一定的影響，與偏好值rjn,im成反比，故在參與市場交易時產生的決策成本Cd為

(13)

式中，C0≥0為供需兩側沒有使用區塊鏈交易模型的決策成本。

供電方聯盟加入區塊鏈電力交易系統后，微網產生的可再生能源電力能夠被更多的用電方消納，因此對供電方聯盟的售電收益有很大影響，其售電收益Bs為

(14)

同理，對大電網電力的消納將隨著可再生能源消納的增多相應地減少，大電網產生的環境污染也會隨之減少。因此，供給側的環境收益也會發生變化，其環境收益Be可表示為

(15)

由此可以構建用電方和供電方的多目標電力交易福利函數Wu和Wg，尋求兩者福利的最大化：

(16)

3 模型求解

本文建立的電力交易模型考慮了供需兩側的電力交易行為。電力供需兩側通過本文構造的區塊鏈電力交易模型進行實時的信息交互，通過多目標優化遺傳算法[14-15]求解得出滿足供電方和用電方福利最大化、碳排放量更低的用電策略。因此，本文從供需方福利最大化兩個目標出發，使用多目標優化遺傳算法[16]中的帶精英策略的非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)來求解模型中的最優解。模型求解流程見圖2。

圖2 基于區塊鏈的電力交易模型求解流程框圖

4 仿真結果分析

4.1 參數設置

使用Python軟件對上述模型進行仿真分析。仿真實驗中假設有100個用電方、2個可再生能源供電方(風能和光伏)和1個傳統能源供電方參與電力交易。仿真實驗根據實際情況劃分為未應用區塊鏈，應用區塊鏈2個場景來進行數值實驗仿真分析。其他參數設置參考文獻[16-17]，具體參數設置如表1。

4.2 結果分析

應用本文的區塊鏈電力交易模型后，用戶總用電量中不同能源電力占比波動明顯。在應用區塊鏈技術后，新能源(風能和光伏)消納量有了顯著提升。圖3中的單個用戶新能源用電量在d∈{5,6,…,20}時隙內，應用區塊鏈電力交易模型后的新能源總用電量明顯高于未應用區塊鏈時。同時，從圖3可看出，應用該技術后在用電高峰期內用電方對煤電使用量的減少幅度非常可觀。這是因為，應用區塊鏈電力交易模型后，用電方可以通過區塊鏈上的實時電力交易數據對供電方的電力信息更加了解(包括價格、電壓穩定性等電力信息)，提高用電方對可再生能源微網的偏好值。在增加可再生能源消納量，降低用電成本等因素綜合考量下，用電方會選擇綜合評估結果更優且碳排放量更低的可再生能源消費。

圖3 不同區塊鏈技術應用程度下的單個用戶新能源和煤電用電量

應用區塊鏈技術后，用電方購買電力導致的碳排放量顯著下降。從表2可以看出，應用區塊鏈技術后，碳排放量相對于傳統方式的電力交易下降了77.46%。這是因為用電方可以在本文構建的系統中選取到成本更加低廉、碳排放量更低的可再生能源。用電方消納越多的可再生能源，碳排放量的降低也就越顯著。

表2 不同區塊鏈技術應用程度下的碳排放量

在應用區塊鏈技術后，電力供需雙方的福利都有所提升。通過圖4得出應用區塊鏈技術后，單個用電方用電福利明顯高于未應用該技術時的福利。應用區塊鏈技術后，供電方福利也有明顯提升。圖5中用電高峰(d∈{5,6,…,18})時，供電方福利提升最為明顯。

運用區塊鏈技術后，可再生能源由于價格優勢、環境污染系數低、碳排放量低、用電方的偏好度大幅提高等，可再生能源用電量隨之大幅提高。另一方面，用電方對新能源的偏好性選擇也會促使市場上的新能源供電方通過其電力生產獲得更多福利。而可再生能源的碳排放量、供電成本、決策成本等遠低于傳統能源，最終促成供電方的福利的提高。

由上述幾個方面的對比可以得出，應用區塊鏈技術后，跨區域聯盟內的可再生能源消納量提升顯著，碳排放量也隨之明顯下降。在電力需求側，本文構造的模型可以幫助用電方充分了解供電方的電力信息，通過提高可再生能源消納量降低能源消納帶來的碳排放量，提高自身的用電福利；在電力供給側，供電方可以借助本文構造的模型減少供電成本，提高可再生能源的消納率，降低碳排放量問題帶來的懲罰成本，增加供電商總的供電福利。綜合來看，區塊鏈電力交易系統模型可以在增加電力供需兩側的環境效益和經濟效益的同時促進電力系統從化石能源轉向可再生能源消納，助力“碳中和”目標的實現。

5 結論

1) 在跨區域的用電方和供電方之間建立區塊鏈的能源協同降碳電力交易模型可以進一步提高跨區域內可再生能源的消納。

2) 應用基于區塊鏈技術構建的能源協同降碳電力交易福利模型可以改善用電方對可再生能源的偏好，通過促進可再生能源電力資源的消納降低碳排放量，進一步推動“雙碳”目標的實現。

3) 新模型的應用提高了電力供需方的電力交易福利，促進了可再生能源產業持續發展。

未來，隨著更多的可再生能源微網加入到電網中，電網的穩定性將受到嚴峻考驗。下一步將從應用區塊鏈技術后電力交易系統的穩定性出發進行相關研究。